FPGA远程更新升级和测试(MultiBoot)

最近项目上要使用FPGA程序的远程更新功能，空闲时间在自己的开发板上先搞了一套（千兆网接口），并实现在线重加载；参考了之前的内容，将3字节指令的flash驱动兼容到4字节指令上：

FPGA实现千兆网UDP协议(含ARP、ICMP)

FPGA外挂存储器应用2——QSPI Flash读写等功能

基于ZYNQ的远程更新功能

测试硬件FPGA(Ku5p)、NorFlash(MX25U512)

适用场景：板卡有对外接口（比如：网口、串口、USB、PCIe等），板卡与板卡互联且有上述对外接口等。

远程更新Flash特别适用于人员不方便接触板卡，比如产品部署在偏远的通信基站、机房服务器或者密封的设备机箱中，突然发现一个bug需要修复，或者要增加一个新功能等。

远程更新完Flash后，重加载程序，可以通过外部MCU或者FPGA内部IPROG命令(等同赋值PROGRAM_B负脉冲)在线重加载，或者掉电重启。

1. MultiBoot方案

为例规避在线更新程序的过程中出现断电、断线、通信中断、传输的文件有问题等意外情况，使得固化程序未全部写入Flash，造成FPGA变砖无法启动，只能通过JTAG再次更新程序;FPGA厂商都考虑了这个问题，提供了双镜像方案，比如Xilinx的Golden镜像和Multiboot镜像，允许在同一个配置Flash中存储多个bitstream，并在不同镜像之间进行动态切换。

可参考:

ug570-ultrascale-configuration

xapp1257-multiboot-fallback-spi-flash

xapp1296-multiboot-fallback-icap

1.1. 启动流程

通过双镜像架构和Fallback回退机制，即使在升级过程中发生意外（断电、通信中断、文件错误等），系统也能自动恢复到稳定状态，从根本上解决了FPGA远程升级“变砖”的问题。

在MultiBoot方案中，通常包含两个镜像：

Golden Image（黄金镜像）：存储在Flash的起始地址（0x00000000），包含FPGA的基本功能和远程升级逻辑。这个镜像具备远程更新Flash功能，固化后不要更新，是系统最后的容错保障。

Update Image（更新镜像）：存储在自定义的Flash某高位地址，包含实际的业务功能。这个镜像是实际远程升级的。

配合Fallback（回退）机制，当Update Image加载失败时，FPGA会自动回退到Golden Image，确保系统始终能够正常运行保障仍可再次远程更新。

主要有以下几个步骤：

上电启动：FPGA上电后，从Flash的0地址开始加载Golden Image。

检测IPROG命令：Golden Image的Header中包含一个特殊的IPROG（Internal Program）命令和WBSTAR（Warm Boot Start Address）寄存器，后者指向Update Image的存储地址。

跳转加载：FPGA检测到IPROG命令后，跳转到WBSTAR指定的地址，开始加载Update Image。

正常运行：如果Update Image加载成功，FPGA运行更新后的业务功能。

触发回退：如果加载过程中出现错误（CRC校验失败、IDCODE不匹配、Watchdog超时等），FPGA自动触发Fallback，重新从0地址加载Golden Image。

1.2. 相关配置

G镜像的约束文件需要指定M镜像的位置，如果Flash容量大于128Mb，需要开启4字节地址。根据自己板卡的原理图设置SPI是单线、双线还是四线模式。

M镜像需要使能Fallback回退。

比如本板卡的设置：

关于Flash的片选和信号线的约束，UltraScale+和其他系列不同；U+系列使用STARTUPE3源语，无需对Flash管脚IO进行约束；其他U和7系列使用STARTUPE2源语，指定程序启动后的Flash时钟，其他的Flash管脚片选和MSIO进行XDC约束。

程序远程更新完后，如果想使用不掉电在线切换程序，U+系列使用ICAPE3源语，指定M镜像的位置，需要注意每字节内高低位互换，参考UG570

1.3. 初次配置

初次固化G镜像和M镜像时，可通过Vivado生成固化文件：

上述设置G镜像位于地址0x00000000，M镜像位于0x02000000(即G镜像指定的M镜像位置)，本板用于配置启动的norflash接了4线，为了快速启动采用了SPIX4。

生成G和M镜像的合成文件后，通过JTAG将合成文件TEST_ALL.bin固化到Flash中，板卡即具备了远程加载和在线重启的功能。

2. 功能测试

开发Golden Image和Update Image功能，开发上位机界面，进行测试：

2.1. 约定命令

上位机下发擦除指令：

FPGA擦除完成反馈指令：

上位机下发更新指令：

FPGA每包数据更新完成反馈指令：

上位机下发在线重加载指令：

2.2. 远程更新测试

固化文件大小约4.77MB，需要进行sector擦除4KB的个数为1223个

擦除完成时间约28s，平均每4KBsector擦除时间约23ms与Flash Datasheet相符。

从指令下发，历经擦除、逐256B更新，到更新完成整个过程约41s，下载过程相比Vivado还是快很多的。

在线重加载后，可以通过测试指示灯，也可查看M镜像是否启动，经寄存器观测，没有回退，即更新程序启动成功：

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